Поглощение азота жидким марганцем представляет абсорбционный процесс, а конкретнее окклюзию. Различают физическую и химическую абсорбцию, а параметром, разграничивающим эти процессы, является энергия взаимодействия молекулы газа с жидкостью и, по-видимому, с расплавом металла. Если энергия взаимодействия молекулы ≤20 кДж/моль, то такой процесс относят к физической абсорбции, если >25 кДж/моль — к химической абсорбции. Процессы, сопровождающиеся изменением энергии в пределах 20—25 кДж/моль, рассматривают как промежуточные.

В известных работах вопросы термодинамики взаимодействия марганца с азотом ограничены анализом термодинамических функций применительно к твердым нитридным фазам. Термодинамика и кинетика абсорбционных процессов в системе чистый жидкий марганец — молекулярный азот рассмотрены в единичных исследованиях. Как правило, в ранних исследованиях (от первых работ И. И. Жукова (1908 г.) и (1926 г.) и включая экспериментальные исследования, выполненные в 50—60-х годах) задача сводилась к установлению экспериментальной зависимости растворимости молекулярного азота в жидком марганце от температуры и давления, поскольку из-за различной чистоты использовавшегося в опытах марганца и методик экспериментов количественные соотношения [N]Mn (T, p), полученные различными авторами, существенно различаются.

Изобары азота в жидких нике­ле, железе, марганце и хроме

Экспериментальные исследования растворимости азота в чистом жидком марганце предпринимались с конца XIX в. Известны работы в этой области И. И. Жукова (1908г.), Н. Э. Гокен экспериментально определил функцию[N]Mn (Т), которая имеет вид lg[N]Mn = 3090/Т — 1,55 [% (мол.)]; ΔGT = —53 989 + 27,08Т, Дж/моль. По данным И. Б. Бараташвили, растворимость молекулярного азота в жидком марганце [% (мол.)] при различной температуре и давлении pN2 = 0,1 МПа описывается выражениями

формула

В. П. Перепелкин экспериментально установил, что растворимость азота в жидком марганце при давлении 101 кПа составляет 2,5 % при 1300 °С и уменьшается до 1,6 % при 1500 °С.

Григоренко Г. М. и Ю. М. Помарин обобщили результаты исследования растворимости азота в жидком марганце и некоторых других 3d-металлах (Cr, Fe, Ni). Температурные зависимости растворимости азота lg KN в расплавах этих металлов представлены на рис. 16.8, а термодинамические константы этого процесса при pN2 = 100 кПа — в табл. 16.2. Теплоты растворения азота в жидких марганце и хроме имеют положительное значение, а для железа и никеля — отрицательные.

таблица

В расплавах системы Mn — Fe растворимость азота при pN2 = 100 кПа растет с повышением концентрации марганца, а энтальпия растворения в интервале 3—8 % Mn изменяет знак (с плюса на минус) (табл. 16.3).

Экспериментальные данные температурной зависимости растворимости азота во всем интервале составов расплавов системы марганец — железо описывается выражением

формула

Бурылев Б. П. предложил для расчета растворимости азота в расплавах системы Mn — Fe выражение

формула

где [% Fe]— массовая концентрация железа в расплаве Mn — Fe. Расчет по этой формуле для сплава 80 % Mn — 20 % Fe при 1500 °С дает значение растворимости, равное ~0,8 % N.